專利名稱：包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)的焊接系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)、和對(duì)焊接或切割工件加熱的方法
包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)的焊接系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)、和對(duì)焊接或切割工件加熱的方法對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)是美國臨時(shí)專利申請(qǐng)61/346，961的非臨時(shí)專利申請(qǐng)，該申請(qǐng)名稱為“高沉積弧焊接”，于2010年5月21日提交，該申請(qǐng)通過引用并入本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及焊接或切割系統(tǒng)，且更具體地涉及用于焊接或切割過程的感應(yīng)加熱系統(tǒng)。焊接是在各種工業(yè)應(yīng)用中變得日益常用的處理。這樣的焊接操作用于多種類型的店內(nèi)(in-shop)以及現(xiàn)場的各種環(huán)境中的重工制造。例如，焊接操作可用于制造管線、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、產(chǎn)油設(shè)施、儲(chǔ)油罐、水塔、以及多種其它結(jié)構(gòu)和組件。而且，具有各種組分、尺寸、幾何形狀等的寬范圍的各金屬可使用焊接處理而形成或接合。例如，大金屬板(例如，厚度1/2英寸或更大)可端對(duì)端地接合和焊接以形成“對(duì)焊”。類似接頭例如可形成在段的各管之間。不過，對(duì)焊可能需要大量消耗物(例如填充材料)和多次(pass)焊接操作，以形成高質(zhì)量焊接。此外，將被焊接的金屬板可能需要制備，例如切割會(huì)機(jī)加工將被焊接的部件的邊緣。例如，兩個(gè)部件中的至少一個(gè)的邊緣可在焊接之前傾斜化。不幸的是，隨著將被焊接的板的厚度增大，焊接時(shí)間、焊接消耗物、焊接變形、和板制備成本增加，而焊接生產(chǎn)率(例如焊接速度)降低。在特定應(yīng)用中，可能希望將工件預(yù)熱到所希望的溫度范圍。這可有助于達(dá)到所希望的焊接溫度，其中由焊弧加入額外熱量。這種類型的加熱結(jié)構(gòu)可例如依賴于感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈圍繞工件卷繞并工作預(yù)定時(shí)間，或直到達(dá)到所希望的溫度。線圈然后被移除，可繼續(xù)進(jìn)行焊接操作。已提出依賴于激光加熱的系統(tǒng)。然而，所有這些結(jié)構(gòu)的效率略低，并可能相當(dāng)昂貴。而且，根據(jù)加熱源的類型，這些結(jié)構(gòu)可能無法達(dá)到更大型工件可能希望的更聞溫度。

發(fā)明內(nèi)容
在示例性實(shí)施例中，一種焊接系統(tǒng)包括焊接動(dòng)力供應(yīng)器；送絲器，其聯(lián)接到所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器；焊槍，其聯(lián)接到所述送絲器，并被配置為基于來自所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器的動(dòng)力而輸出來自所述送絲器的絲以產(chǎn)生焊弧。所述焊接系統(tǒng)進(jìn)一步包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)，其鄰近于所述焊槍設(shè)置，并被配置為將工件的在所述焊弧前方的局部區(qū)域加熱到至少約0. 5的同系溫度。在另一示例性實(shí)施例中，一種輔助焊接加熱系統(tǒng)包括感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器，其被配置以產(chǎn)生交流電；降壓變壓器，其聯(lián)接/耦合(couple)到所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器；和感應(yīng)加熱線圈，其鄰近于焊槍而設(shè)置。感應(yīng)加熱線圈聯(lián)接/耦合(couple)到所述降壓變壓器，并被配置以接收所述交流電和在焊接工件中感應(yīng)生成渦流，從而將在行進(jìn)焊弧之前的所述焊接工件加熱到至少約0. 5的同系溫度。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種用于對(duì)焊接工件加熱的方法，包括設(shè)置感應(yīng)加熱線圈，所述感應(yīng)加熱線圈被配置以接收交流電和在焊接工件中感應(yīng)生成渦流，感應(yīng)加熱線圈鄰近于所述焊接工件并沿焊部的方向處于所述焊槍的前方。所述方法進(jìn)一步包括通過感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器產(chǎn)生交流電；將來自所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器的所述交流電傳送到降壓變壓器；將來自所述降壓變壓器的所述交流電傳送到所述感應(yīng)加熱線圈。


通過閱讀以下參照附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它特征、方面、和優(yōu)點(diǎn)將被更好地理解，在各圖中相同/相似的字符總是表示相同/相似的部分，其中圖1是包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)的示例性焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中，感應(yīng)加熱系統(tǒng)被配置為在焊接過程之前增高焊接位置的溫度。圖2是例示出根據(jù)本公開內(nèi)容各方面的圖1的焊接系統(tǒng)和感應(yīng)加熱系統(tǒng)的示例性功能部件的結(jié)構(gòu)圖。圖3是例示出根據(jù)本公開內(nèi)容各方面的圖1的感應(yīng)加熱系統(tǒng)的示例性功能部件的結(jié)構(gòu)圖。圖4是示例性感應(yīng)加熱線圈的立體圖，所述感應(yīng)加熱線圈被配置為在焊接過程之前增進(jìn)焊接位置的熔化。圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知焊接過程的通過對(duì)焊而結(jié)合的兩個(gè)板的示意圖。圖6是根據(jù)本公開內(nèi)容各方面的通過對(duì)焊而結(jié)合的兩個(gè)板的示意圖。
具體實(shí)施例方式如下文中詳細(xì)所述，將描述被配置為在弧焊過程之前加熱焊接位置的感應(yīng)加熱系統(tǒng)的實(shí)施例。感應(yīng)加熱系統(tǒng)適于恰在焊弧到達(dá)焊接位置之前將焊接接頭(weld joint)的局部區(qū)域加熱到更高溫度。由焊弧產(chǎn)生的熱量于是用于使工件高于熔點(diǎn)并使焊絲電極熔化。結(jié)果，焊接過程能夠以更快速度進(jìn)行，和/或具有更強(qiáng)穿透性，和/或具有更佳機(jī)械性能，由此提高焊接過程的生產(chǎn)率和/或質(zhì)量。而且，與先前的感應(yīng)加熱技術(shù)相比，執(zhí)行加熱集中得多。感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈在待焊接工件的表面近處定位并鄰近于焊槍。由動(dòng)力供應(yīng)器產(chǎn)生的交流電流動(dòng)通過感應(yīng)加熱線圈，感應(yīng)加熱線圈在待焊接工件中感應(yīng)生成渦流。渦流流動(dòng)通過工件，由此對(duì)工件進(jìn)行電阻加熱。通過對(duì)傳輸?shù)礁袘?yīng)線圈的交流電的頻率進(jìn)行控制，可在處理中的焊部前方緊鄰處控制感應(yīng)線圈與工件表面的距離、感應(yīng)線圈的行進(jìn)速度、和工件被加熱到的溫度。特別地，工件可被加熱到0. 5或更高的同系溫度(homologous temperature)。在本公開內(nèi)容中所使用的材料的“同系溫度”是指，材料實(shí)際溫度與材料熔化溫度的比率，這兩種溫度均以絕對(duì)溫度形式(例如開爾文度)表示。以下所描述的系統(tǒng)可用于各種不同的焊接過程。例如，所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)可用于埋弧焊(SAW)、自保護(hù)藥芯弧焊(FCAW)、金屬芯弧焊(MCAW)、攪拌摩擦焊(FSW)、螺柱焊接、閃光對(duì)焊、等離子焊、點(diǎn)焊、縫焊、激光焊、鎢極氣體保護(hù)弧焊(GTAW)，等等?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1例示出示例性的焊接系統(tǒng)10，用于對(duì)焊接操作進(jìn)行供能、控制、和供料。焊接系統(tǒng)10包括焊接動(dòng)力供應(yīng)器12、送絲器14、和焊槍16。動(dòng)力供應(yīng)器12可為需要?jiǎng)恿υ?8的基于功率變換器或逆變器的焊接動(dòng)力供應(yīng)器?？梢栽趧?dòng)力源設(shè)置多種不同的電路設(shè)計(jì)，可以預(yù)見到多種不同的焊接形式(例如，直流、交流、脈沖、短路，等等)。任何這些傳統(tǒng)的電路和處理技術(shù)可結(jié)合本發(fā)明的感應(yīng)加熱技術(shù)使用。在其他實(shí)施例中，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12可為發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)焊接動(dòng)力供應(yīng)器，可包括內(nèi)燃機(jī)。焊接動(dòng)力供應(yīng)器12還可包括用戶界面20，在需要時(shí)用于調(diào)節(jié)各種焊接參數(shù)(例如電壓和電流)和用于連接動(dòng)力源18。此外，氣體源22可被聯(lián)接到焊接動(dòng)力供應(yīng)器12。氣體源22是供應(yīng)到焊槍16的保護(hù)氣體之源。氣體源22還將保護(hù)氣體供應(yīng)到輔助保護(hù)氣體擴(kuò)散器24。例如，在特定實(shí)施例中，氣體源22可供應(yīng)氬氣。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，保護(hù)氣體通過焊槍16和輔助氣體擴(kuò)散器24施加于液體焊接熔池的位置，以防止吸收到可能導(dǎo)致焊部發(fā)生冶金損傷的大氣氣體。如圖所示，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12聯(lián)接到焊接送絲器14。例如，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12可通過送給器動(dòng)力導(dǎo)線、焊接纜線、氣體軟管、和控制纜線聯(lián)接到焊接送絲器14。在例示實(shí)施例中所示的焊接送絲器14將焊絲提供到焊槍16用于焊接操作。可使用各種焊絲。例如，焊絲可以是實(shí)心(solid)碳鋼、實(shí)心鋁、實(shí)心不銹鋼、復(fù)合保護(hù)藥芯焊絲，等等。本發(fā)明可用于任意適合類型的電極，并適用于任意適合的絲組分。而且，焊絲的厚度可根據(jù)使用焊絲的焊接應(yīng)用而改變。例如，焊絲可為0. 045,0. 052、1/16、3/32、1/8、或任何其它直徑。而且，焊接送絲器14可封裝有各種內(nèi)部部件，例如，送絲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)馬達(dá)組件、電動(dòng)馬達(dá)，等等。焊接送絲器14可進(jìn)一步包括控制面板(未示出)，以允許用戶設(shè)定一個(gè)或多個(gè)送絲參數(shù)，例如送絲速度。在所示的實(shí)施例中，輔助保護(hù)氣體擴(kuò)散器24也通過氣體軟管26聯(lián)接到焊接送絲器14。不過，焊接送絲器14可被用于任意送絲過程，包括氣體操作(氣體金屬弧焊(GMAW))或無氣操作(保護(hù)金屬弧焊(SMAW)或自保護(hù)藥芯弧焊(FCAff))o如圖所示，焊絲通過第一纜線28送給到焊槍16。第一纜線28還可將氣體供應(yīng)到焊槍16。如進(jìn)一步所示，第二纜線30將焊接動(dòng)力供應(yīng)器12聯(lián)接到工件32 (典型地利用一夾)，從而在焊接t呆作過程中在焊接動(dòng)力供應(yīng)器12與焊槍16之間完成電路。示例性焊接系統(tǒng)10還包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)34。如前所述，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34包括感應(yīng)加熱線圈36和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38。感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38包括用戶界面40。用戶界面40可包括按鈕、旋鈕、表盤，等，以允許操作者調(diào)整感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的各種操作參數(shù)。例如，用戶界面40可被配置為使操作者能夠設(shè)定和調(diào)節(jié)由感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38產(chǎn)生的交流電的頻率。類似地，用戶界面40可使操作者能夠選擇感應(yīng)加熱線圈36的所希望的溫度。用戶界面40還可包括一個(gè)或多個(gè)顯示器，顯示器被配置以將系統(tǒng)反饋提供到操作者(例如，感應(yīng)加熱線圈36的實(shí)時(shí)溫度、感應(yīng)加熱線圈36相對(duì)于工件32的行進(jìn)速度，等)。感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38通過電線導(dǎo)體44而聯(lián)接到降壓變壓器42。更特別地，兩個(gè)電線導(dǎo)體44從感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38導(dǎo)引到變壓器42，每個(gè)電線導(dǎo)體44導(dǎo)引到柔性管或?qū)Ч軆?nèi)。而且，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34可為空冷或液冷系統(tǒng)。例如，冷卻劑可流動(dòng)到導(dǎo)引每個(gè)電線導(dǎo)體44的柔性管內(nèi)。在特定實(shí)施例中，一個(gè)導(dǎo)引電線導(dǎo)體44的柔性管包含進(jìn)入變壓器42的流動(dòng)冷卻劑，而另一導(dǎo)引電線導(dǎo)體44的柔性管包含從變壓器流動(dòng)到對(duì)冷卻劑除熱的換熱器或其它裝置的流動(dòng)冷卻劑。交流電流出變壓器42并通過電導(dǎo)體46供應(yīng)到感應(yīng)加熱線圈36。如下文中詳細(xì)所述，電導(dǎo)體46可具有中空芯并也可導(dǎo)引流動(dòng)冷卻劑通過感應(yīng)加熱線圈36。在所示的實(shí)施例中，感應(yīng)加熱線圈36接近于工件32設(shè)置。當(dāng)交流電流動(dòng)通過感應(yīng)加熱線圈36時(shí)，渦流在工件32內(nèi)生成和感應(yīng)。渦流抵制于工件32的電阻而流動(dòng)，由此在工件32中產(chǎn)生局部加熱。如圖所示，感應(yīng)加熱線圈36在焊槍16前方定位。換言之，對(duì)沿方向48操作和行進(jìn)的焊槍16而言，感應(yīng)加熱線圈36設(shè)置在焊槍16前方(即，沿焊接接頭并在由焊槍16形成的焊弧50之前)。結(jié)果，感應(yīng)加熱線圈36在焊弧50前方緊鄰處加熱工件32的局部區(qū)域52，由此恰在焊弧50之前升高局部區(qū)域52的溫度。例如，感應(yīng)加熱線圈36可以將局部區(qū)域52的溫度升高到約0. 5,0. 55,0. 6,0. 65,0. 7,0. 75或更大的同系溫度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這樣的溫度通常顯著高于傳統(tǒng)上的“預(yù)熱”溫度。例如，工件32可由鋼制成，并可具有約1800K的熔化溫度。對(duì)于鋼制工件32而言，感應(yīng)加熱線圈36可將局部區(qū)域52加熱到約1300K(即，約0.72的同系溫度)。再如，工件32可由鋁制成，并可具有約933K的熔化溫度。對(duì)于鋁制工件32而言，感應(yīng)加熱線圈36可將局部區(qū)域52加熱到約622K( S卩，約0. 66的同系溫度)。換言之，感應(yīng)加熱線圈36可提供使工件32的局部區(qū)域52熔化所需熱量的約半數(shù)或過半的熱量。因此，當(dāng)焊槍16沿方向48行進(jìn)時(shí)，焊弧50使工件32的局部區(qū)域52達(dá)到熔化溫度所需提供的熱量更少。因此，更多的由焊弧50生成的熱量可用于熔化焊絲，這使焊槍16能夠以更高速度完成工件32的焊接。如圖所示，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38也可以聯(lián)接。例如，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可利用硬線、通過無線連接、在網(wǎng)絡(luò)上、或通過其他方式聯(lián)接。如在下文中更詳細(xì)所述，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可在示例性焊接系統(tǒng)10的操作過程中交換數(shù)據(jù)和信息。更特別地，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可協(xié)作起作用(例如利用相互反饋)以調(diào)節(jié)示例性焊接系統(tǒng)10的各種操作參數(shù)。應(yīng)注意，對(duì)圖1所示的示例性焊接系統(tǒng)10的修改可根據(jù)本發(fā)明的各方面進(jìn)行。雖然所示實(shí)施例在弧焊處理的應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行描述，不過本發(fā)明的各特征也可用于各種其它適合的焊接或切割系統(tǒng)或處理。例如，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34可以用于等離子切割系統(tǒng)或用于板彎曲系統(tǒng)。更特別地，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34可以設(shè)置在等離子切刀前方以增加等離子切部前方局部區(qū)域的溫度(即，使局部區(qū)域的溫度升高到至少0. 5的同系溫度)，由此能夠增加切割速度。而且，雖然感應(yīng)加熱系統(tǒng)34在本實(shí)施例中位于焊槍16的前方，不過感應(yīng)加熱系統(tǒng)34也可位于其它位置。例如，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34可位于焊槍16之后以在工件32焊接和熔融之后對(duì)焊接位置提供熱處理。類似地，特定實(shí)施例可包括多于一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)34或線圈(即，第一感應(yīng)加熱系統(tǒng)34或線圈位于焊槍16前方以在焊接前將局部區(qū)域52的溫度升高到至少0. 5的同系溫度，第二加熱系統(tǒng)34位于焊槍16之后以對(duì)已經(jīng)熔融的焊接位置提供熱處理)。圖2是例示出示例性焊接系統(tǒng)10的特定內(nèi)部部件的結(jié)構(gòu)圖。如前所述，動(dòng)力源18可向焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和/或感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38供能。焊接動(dòng)力供應(yīng)器12向焊接送絲器14提供動(dòng)力，且焊接動(dòng)力供應(yīng)器12聯(lián)接到工件32，由此在焊接操作過程中在焊接動(dòng)力供應(yīng)器12與焊槍16之間完成電路。感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38生成交流電，所述交流電供應(yīng)到變壓器42，變壓器42隨后將電流導(dǎo)引到感應(yīng)加熱線圈36。如前所述，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可聯(lián)接并被配置以交換信息和數(shù)據(jù)(例如，操作參數(shù)、設(shè)定狀態(tài)、用戶輸入，等)，從而使焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38能夠協(xié)作起作用。焊接動(dòng)力供應(yīng)器12包括多個(gè)內(nèi)部部件以調(diào)整焊接系統(tǒng)10的各種操作參數(shù)。在所示的實(shí)施例中，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12包括控制電路54、處理器56、記憶電路58、和界面電路60?？刂齐娐?4被配置以將控制信號(hào)施加于焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和/或焊接送絲器14。例如，控制電路54可將與焊接動(dòng)力供應(yīng)器12所提供電壓或電流相關(guān)的控制信號(hào)提供到焊接送絲器14?？刂齐娐?4也可提供用于調(diào)整焊接送絲器14操作的控制信號(hào)，例如脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，用以調(diào)整焊接送絲器14中的馬達(dá)組件的占空比，等等?？刂齐娐?4進(jìn)一步聯(lián)接到處理器56、記憶電路58和界面電路60。界面電路60聯(lián)接到焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的用戶界面20。如前所述，用戶界面20被配置以使操作者能夠輸入和控制焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的各種設(shè)定狀態(tài)。例如，用戶界面20可包括菜單，用于選擇焊接送絲器14的所希望的電壓或電流輸出。此外，用戶界面20可包括焊接處理或焊絲材料和直徑的菜單或清單。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，不同的焊接處理、焊絲材料和焊絲直徑可能具有不同的特性，并可能要求改變各種操作參數(shù)的配置。例如，要求改變數(shù)值的配置參數(shù)可以包括電壓輸出、電流輸出、送絲速度、送絲扭矩，等等。對(duì)于各種焊接處理、焊絲材料和焊絲直徑中的每種，對(duì)這種配置參數(shù)以及其它參數(shù)的預(yù)設(shè)值可存儲(chǔ)在記憶電路58中。在示例中，用戶可從焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的用戶界面20上顯示的多種不同焊接處理的菜單中選擇一焊接處理。用戶界面20將焊接處理的選擇通訊傳送到界面電路60，界面電路60將所述選擇通訊傳送到處理器56。處理器56然后取回被存儲(chǔ)在記憶電路58中的用于焊接處理的特定的配置參數(shù)。此后，處理器56將配置參數(shù)發(fā)送到控制電路54，從而使控制電路54可將適合的控制信號(hào)施加于焊接送絲器14。在特定實(shí)施例中，如下所述，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的控制電路54還可將配置參數(shù)通訊傳送到感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38。在所示實(shí)施例中，感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38包括控制電路62、處理器64、記憶電路66、和界面電路68?？刂齐娐?2被配置為將控制信號(hào)施加于感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38和/或變壓器42。例如，控制電路62可將與感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38所供應(yīng)交流電相關(guān)的控制信號(hào)(例如，交流頻率)提供到變壓器42。此外，控制電路62還可調(diào)整用于感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38和/或變壓器42的冷卻系統(tǒng)。如前所述，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34可以使用空氣或冷卻劑在整個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)34中提供循環(huán)冷卻。例如，控制電路62可以調(diào)整通過變壓器42和感應(yīng)加熱線圈36的液體冷卻劑的流動(dòng)，從而使感應(yīng)加熱系統(tǒng)34保持所希望的溫度。控制電路62進(jìn)一步聯(lián)接到處理器64、記憶電路66和界面電路68。界面電路68聯(lián)接到感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的用戶界面40。如前所述，感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的用戶界面40使操作者能夠調(diào)整感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的一種或多種操作參數(shù)或者設(shè)定狀態(tài)。例如，用戶界面40可使用戶能夠從設(shè)計(jì)菜單中選擇感應(yīng)加熱線圈36的特定設(shè)計(jì)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，不同的感應(yīng)加熱線圈36的設(shè)計(jì)可具有不同的配置參數(shù)。例如，不同的設(shè)計(jì)可能具有不同的最大操作溫度，并且可能需要不同的交流電頻率以實(shí)現(xiàn)所希望的溫度。類似地，用于冷卻感應(yīng)加熱系統(tǒng)34的冷卻劑可具有不同的配置參數(shù)(例如，傳熱系數(shù)、粘度、流速，等)。這種配置參數(shù)以及其它參數(shù)的預(yù)設(shè)值可存儲(chǔ)在記憶電路66中。例如，用戶界面40可將用戶對(duì)感應(yīng)加熱線圈36的設(shè)計(jì)選擇通訊傳送到界面電路68，界面電路68可將所述選擇通訊傳送到處理器64。處理器64然后可以取回被存儲(chǔ)在記憶電路66中的用于感應(yīng)加熱線圈36的特定的配置參數(shù)。此后，處理器64將配置參數(shù)發(fā)送到控制電路62，從而使控制電路62可將適合的控制信號(hào)施加于感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38和變壓器42。如前所述，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可以通過硬線、無線連接、網(wǎng)絡(luò)連接、或類似方式相互聯(lián)接。特別地，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可被配置為相互收發(fā)與焊接系統(tǒng)10操作相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息。例如，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可相互通訊以協(xié)調(diào)感應(yīng)加熱線圈36和焊槍16沿工件32的速度。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在特定的實(shí)施例中，感應(yīng)加熱線圈36和焊槍16均被設(shè)計(jì)為自動(dòng)操作。結(jié)果，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12和感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38可聯(lián)接和配置為隨著感應(yīng)加熱線圈36和焊槍16沿工件32以方向48行進(jìn)而在感應(yīng)加熱線圈36與焊弧50之間保持恒定的距離。例如，焊槍16和感應(yīng)加熱線圈36可均具有傳感器，所述傳感器被配置以測量沿工件32的行進(jìn)速度或者溫度。再如，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12可將用戶所選擇的焊接處理(即，由操作者通過用戶界面20而選擇的焊接處理)通訊傳送到感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38。更特別地，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的控制電路54可將對(duì)焊接處理的選擇通訊傳送到感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的控制電路62。此后，感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的控制電路62可基于用戶選擇的焊接處理而對(duì)各種操作參數(shù)中的任意項(xiàng)進(jìn)行修改。例如，控制電路62可基于所選擇的焊接處理而啟始或終止所述處理，或者調(diào)整被提供到感應(yīng)加熱線圈36的交流電的頻率或幅度、或者通過變壓器42和/或感應(yīng)加熱線圈36的冷卻劑的流速，以實(shí)現(xiàn)所希望的感應(yīng)加熱線圈36的最高溫度。更特別地，對(duì)于所選擇的焊接處理，處理器64可以從記憶電路66中取回用于所選擇的焊接處理的配置參數(shù)，并將配置參數(shù)發(fā)送到控制電路62。類似地，感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的控制電路62可將操作信息或數(shù)據(jù)發(fā)送到焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的控制電路54。例如，控制電路62可將感應(yīng)加熱線圈36的溫度數(shù)據(jù)(例如，最高溫度或?qū)崟r(shí)溫度)發(fā)送到焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的控制電路54。此后，響應(yīng)于從感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38接收的數(shù)據(jù)，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的控制電路54可以調(diào)節(jié)焊接動(dòng)力供應(yīng)器和/或焊接送絲器14的一種或多種操作參數(shù)。例如，基于從感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的控制電路62接收的感應(yīng)加熱線圈36的溫度數(shù)據(jù)，焊接動(dòng)力供應(yīng)器12的控制電路54可啟始或終止所述焊接處理，或者調(diào)節(jié)焊接送絲器14的送絲速度或扭矩。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在感應(yīng)加熱線圈36向焊弧50前方工件32的局部區(qū)域52提供較高溫度時(shí)，可能需要較慢的送絲速度。應(yīng)注意，在特定的實(shí)施例中，用于生成和控制感應(yīng)加熱動(dòng)力和焊接動(dòng)力的動(dòng)力供應(yīng)器和控制電路可以組合。也就是說，一些或所有所述電路可設(shè)置在單一的動(dòng)力供應(yīng)器中，特定的電路可實(shí)現(xiàn)多功能(例如，操作者界面部件)。此外，中央控制器可將協(xié)調(diào)和同步命令提供到焊接/切割系統(tǒng)和感應(yīng)系統(tǒng)。還應(yīng)注意，在目前的論述中，雖然根據(jù)焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)有時(shí)參照焊槍和相鄰感應(yīng)加熱系統(tǒng)的行進(jìn)或運(yùn)動(dòng)，不過焊槍和感應(yīng)加熱系統(tǒng)實(shí)際上可被取代，而在其它系統(tǒng)中，這些裝置可保持基本靜止，且一個(gè)或多個(gè)工件移動(dòng)。例如可為這樣的情況在特定的機(jī)械或自動(dòng)操作中，在埋弧焊應(yīng)用中，等。這兩種情形均意在被涵蓋在本發(fā)明中，對(duì)移動(dòng)焊槍和感應(yīng)加熱系統(tǒng)的參照描述應(yīng)被理解為包括在這些部件和一個(gè)或多個(gè)工件之間的任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖3是圖1所示感應(yīng)加熱系統(tǒng)34的實(shí)施例的示意圖,其中例示出感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38、降壓變壓器42、和在由焊槍16所產(chǎn)生焊弧50前方定位的感應(yīng)加熱線圈36。如前所述，變壓器42通過電線導(dǎo)體44被聯(lián)接到感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38。感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38通過電線導(dǎo)體44將交流電供應(yīng)到變壓器42。例如，所述交流電可具有從5000Hz至300000Hz的頻率，不過也可以應(yīng)用其它頻率。交流電從變壓器42通過電導(dǎo)體46供應(yīng)到感應(yīng)加熱線圈36。特別地，交流電通過被附接到變壓器42基體72的動(dòng)力連接部70而流出變壓器42。電導(dǎo)體46聯(lián)接到動(dòng)力連接部70，例如通過軟焊、硬焊或栓接而聯(lián)接。如前所述，電導(dǎo)體46可具有中空芯，由此使冷卻劑能夠流動(dòng)通過電導(dǎo)體46和感應(yīng)加熱線圈36，從而調(diào)整感應(yīng)加熱線圈36的最高溫度。換言之，電導(dǎo)體46和感應(yīng)加熱線圈36可以承載交流電和冷卻劑流。如圖所示，變壓器42由頂板74和底板76支撐。在特定實(shí)施例中，頂板74和底板76可由陶瓷或其它電絕緣材料形成。頂板74和底板76進(jìn)一步聯(lián)接到金屬框架78。金屬框架78可被配置為使得在工件32與感應(yīng)加熱線圈36之間的距離80可調(diào)節(jié)。金屬框架78可進(jìn)一步緊固到觸輪(trolley)或其它可動(dòng)組件，觸輪或其它可動(dòng)組件被配置為在多平面中沿工件32的焊接接頭驅(qū)動(dòng)和引導(dǎo)感應(yīng)加熱系統(tǒng)34。而且，觸輪或其它可動(dòng)組件可聯(lián)接到感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器38的控制電路62，使得控制電路62可調(diào)整感應(yīng)加熱線圈36和這個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)34相對(duì)于工件32的運(yùn)動(dòng)和速度。圖4是圖3中所示感應(yīng)加熱線圈36的實(shí)施例的立體圖。在所示實(shí)施例中，感應(yīng)加熱線圈36由方管80制成，方管80形成具有線性線圈構(gòu)造的一個(gè)線圈塊體82。特別地，方管80具有的寬度84可約為0. 25英寸、0. 5英寸、0. 75英寸、1. 0英寸、或更大。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，由于感應(yīng)加熱線圈36由方管80形成，因而感應(yīng)加熱線圈36的高度86等于所述寬度84。而且，由方管80形成的線圈塊體82進(jìn)一步形成間隙88。例如，間隙88可約為0. 25英寸、0. 5英寸、0. 75英寸、1. 0英寸、或更大。在特定實(shí)施例中，線圈塊體82可形成為使得間隙88的尺寸等于方管80的寬度84。而且，雖然感應(yīng)加熱線圈36的所例示的實(shí)施例由方管制成，不過，感應(yīng)加熱線圈36的其它實(shí)施例可由具有其它幾何形狀的管(即，圓形、橢圓形、矩形、或其它多邊形的管)制成。類似地，雖然感應(yīng)加熱線圈36的所示實(shí)施例中的方管80形成一個(gè)線圈塊體82，不過其它實(shí)施例可以具有多于一個(gè)線圈。除了線圈塊體82以外，方管80包括第一線圈柱90和第二線圈柱92，第一線圈柱90和第二線圈柱92被配置為聯(lián)接到電導(dǎo)體46。第一線圈柱90和第二線圈柱92從電導(dǎo)體46接收交流電并使交流電流通經(jīng)過感應(yīng)加熱線圈36的線圈塊體82。而且，第一線圈柱90和第二線圈柱92可從電導(dǎo)體46接收冷卻劑流。特別地，冷卻劑可以流動(dòng)通過方管80的第一線圈柱90和第二線圈柱92，并且被導(dǎo)引通過方管80的線圈塊體82。而且，感應(yīng)加熱線圈36可通過感應(yīng)加熱線圈通量集中器94被封裝。例如，感應(yīng)加熱線圈通量集中器94可為盒或其它中空結(jié)構(gòu)，由諸如鐵氧體(ferrite)之類的材料形成。此外，感應(yīng)加熱線圈通量集中器94可被涂覆以一散熱化合物，散熱化合物被配置以將熱量傳遞到線圈的冷卻元件。圖5是使用現(xiàn)有技術(shù)中公知焊接工藝在第一板98與第二板100之間形成的對(duì)焊接頭96的實(shí)施例的示意圖。更特別地，第一板98的邊緣102接合于第二板100的邊緣104。如圖所示，第一和第二板98、100的邊緣102、104傾斜。也就是說,第一和第二板98、100在接合前被機(jī)加工，并被焊接以在邊緣102、104處形成傾斜表面。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)于較厚的第一和第二板98、100 (例如，0. 5英寸或更大的厚度106)，邊緣102、104可能在將板98和100焊接到一起之前進(jìn)行制備，例如傾斜化，以確保焊接的質(zhì)量和強(qiáng)度。特別地，對(duì)于較厚的板98、100而言，由焊弧50產(chǎn)生的熱量可能不足以使板98、100的厚度106達(dá)到熔化溫度。因此，板98、100的邊緣102、104可傾斜，以允許焊弧50穿透板98、100的厚度。此外，對(duì)焊接頭96可能需要多次(pass)焊弧50操作。在制備之后，板98、100的邊緣102、104通過焊接接合到一起。如圖所示，在對(duì)焊接頭96處，邊緣98、100的邊緣102、104形成間隙108。在焊接操作過程中，間隙108被填充以焊接填料110(即，焊絲)。對(duì)于具有大或?qū)掗g隙108和/或大傾斜部102、104的對(duì)焊接頭96而言，可能需要充足的焊接填料110以完成焊接，導(dǎo)致焊接材料成本增加和焊接效率降低。此外，對(duì)焊接頭96中較大的間隙108可進(jìn)一步導(dǎo)致焊接變形加劇(即，板98、100中接近對(duì)焊接頭96處的局部塑性變形)。圖6是圖5所示對(duì)焊接頭96使用具有感應(yīng)加熱系統(tǒng)34的焊接處理在第一板98和第二板100之間形成的示意圖。如圖所示，所示對(duì)焊接頭96形成在板98、100的邊緣102、104之間。不過，不同于圖5中所示的邊緣102、104，在所示實(shí)施例中的邊緣102、104不傾斜。在其它實(shí)施例中，邊緣102、104可很輕微地傾斜。如前所述，具有感應(yīng)加熱系統(tǒng)34的焊接系統(tǒng)10的實(shí)施例能夠使焊弧50之前的工件32的局部區(qū)域52的溫度升高到約0. 5或更大的同系溫度。感應(yīng)加熱系統(tǒng)34的操作(即，使渦流流動(dòng)通過工件32)使得板98、100在板98、100的厚度106范圍內(nèi)的溫度增高更均勻。結(jié)果，焊弧50使板98、100的整個(gè)厚度106達(dá)到熔化溫度所需提供的熱量更少。因此，邊緣102、104之間的間隙108可能很小，而且可能很少需要或不需要邊緣102、104傾斜。例如，間隙108可具有約0. 15英寸或更小的寬度112。因此，需要相對(duì)較小量的焊接填料110來完成對(duì)焊接頭96。由于需要較少焊接填料110來完成對(duì)焊接頭96，因而焊接處理可更快地完成，對(duì)焊接頭96可經(jīng)歷更小的焊接變形。如前所述，本公開內(nèi)容的各實(shí)施例包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)34，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34被配置為加熱焊弧50前方的工件32的局部區(qū)域52。特別地，感應(yīng)加熱系統(tǒng)34可使局部區(qū)域52的溫度升高到約0. 5或更大的同系溫度。結(jié)果，焊弧50使工件32的焊接接頭達(dá)到熔化溫度所需提供的熱量更少。由于感應(yīng)加熱系統(tǒng)34能夠?qū)@著量的熱量提供到恰在行進(jìn)中焊弧50前方的工件32的局部區(qū)域52，因而焊弧50能夠以更快速度完成焊接接頭。類似地，需要較少焊接填料110填充在板98、100或?qū)⒈缓附颖砻嬷g的間隙108，使得材料成本更低。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所公開的感應(yīng)加熱系統(tǒng)34的實(shí)施例為焊接系統(tǒng)10提供相對(duì)較低的成本和相對(duì)較少維護(hù)的輔助加熱源，以增加各種焊接和相關(guān)處理的效率。雖然在此僅例示和描述了本發(fā)明的特定特征，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員將實(shí)現(xiàn)多種修改和變化。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求意在涵蓋處于本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種焊接系統(tǒng)，包括 焊接動(dòng)力供應(yīng)器； 送絲器，其聯(lián)接到所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器； 焊槍，其聯(lián)接到所述送絲器，并被配置為基于來自所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器的動(dòng)力而輸出來自所述送絲器的絲以產(chǎn)生焊??；和 感應(yīng)加熱系統(tǒng)，其鄰近于所述焊槍設(shè)置，并被配置為將工件的在所述焊弧前方的局部區(qū)域加熱到至少約0. 5的同系溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，包括 感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器，其被配置以產(chǎn)生交流電；和 變壓器，其聯(lián)接到所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器， 其中，所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括感應(yīng)加熱線圈，所述感應(yīng)加熱線圈聯(lián)接到所述變壓器并被配置以接收所述交流電和在所述工件中感應(yīng)生成渦流。
3.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器包括控制電路，所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器聯(lián)接到所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器，所述控制電路被配置以基于所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器和所述焊接送絲器中至少一種的操作參數(shù)而將控制信號(hào)施加于所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器。
4.如權(quán)利要求3所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述操作參數(shù)包括所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器的電壓輸出，所述焊接動(dòng)力供應(yīng)器的輸出電流，所述焊接送絲器的送絲速度，或它們的組合。
5.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱線圈包括中空管。
6.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱線圈包括線性線圈構(gòu)造。
7.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括感應(yīng)加熱線圈通量集中器，其圍繞所述感應(yīng)加熱線圈設(shè)置。
8.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)，其被配置以調(diào)整所述變壓器和所述感應(yīng)加熱線圈中的至少一種的溫度。
9.如權(quán)利要求8所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述冷卻系統(tǒng)包括液體冷卻劑，其被配置以流動(dòng)通過所述變壓器和所述感應(yīng)加熱線圈中的至少一種。
10.如權(quán)利要求2所述的焊接系統(tǒng)，包括 可動(dòng)組件，其被配置以支撐所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)、沿焊部方向平移所述感應(yīng)加熱線圈、控制所述感應(yīng)加熱線圈在所述焊接工件上方的高度、或者進(jìn)行所述支撐、平移、控制操作的組口 o
11.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)被配置為將工件的在所述焊弧前方的局部區(qū)域加熱到至少約0. 5的同系溫度。
12.如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)被配置為將工件的在所述焊弧前方的局部區(qū)域加熱到至少約0. 7的同系溫度。
13.一種輔助焊接加熱系統(tǒng)，包括 感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器，其被配置以產(chǎn)生交流電； 降壓變壓器，其聯(lián)接到所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器；和 感應(yīng)加熱線圈，其鄰近于焊槍而設(shè)置，聯(lián)接到所述降壓變壓器，并被配置以接收所述交流電和在焊接工件中感應(yīng)生成渦流，從而將在行進(jìn)焊弧之前的所述焊接工件加熱到至少約0.5的同系溫度。
14.如權(quán)利要求13所述的輔助焊接加熱系統(tǒng)，其中 所述輔助焊接加熱系統(tǒng)被配置為將在所述行進(jìn)焊弧之前的所述焊接工件加熱到至少約0. 65的同系溫度。
15.如權(quán)利要求13所述的輔助焊接加熱系統(tǒng)，其中 所述輔助焊接加熱系統(tǒng)被配置為將在所述行進(jìn)焊弧之前的所述焊接工件加熱到至少約0. 75的同系溫度。
16.如權(quán)利要求13所述的輔助焊接加熱系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱線圈沿焊部的方向設(shè)置在焊槍的前方。
17.如權(quán)利要求13所述的輔助焊接加熱系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱線圈沿切部的方向設(shè)置在等離子切割器的前方。
18.如權(quán)利要求13所述的輔助焊接加熱系統(tǒng)，其中 所述感應(yīng)加熱線圈沿焊部的方向設(shè)置在焊槍的后方，且所述輔助焊接 加熱系統(tǒng)被配置為對(duì)所述工件施加熱處理。
19.一種用于對(duì)焊接或切割工件加熱的方法，包括 使感應(yīng)加熱線圈和相鄰的焊槍或等離子切割槍定位在相對(duì)于工件的操作位置，所述感應(yīng)加熱線圈被配置以接收交流電和在所述工件中感應(yīng)生成渦流，并沿焊部或切部的方向處于所述焊槍或等離子切割槍的前方； 通過感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器產(chǎn)生交流電； 將來自所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器的所述交流電傳送到降壓變壓器； 將來自所述降壓變壓器的所述交流電傳送到所述感應(yīng)加熱線圈；和 將所述工件加熱到至少約0. 5的同系溫度。
20.如權(quán)利要求19所述的用于對(duì)焊接或切割工件加熱的方法，包括 在行進(jìn)焊弧或等離子切割器的前方沿所述焊部或切部的方向平移所述感應(yīng)加熱線圈。
全文摘要
一種輔助焊接加熱系統(tǒng)(34)，包括感應(yīng)加熱線圈(36)，其鄰近于焊槍或等離子切刀(16)而設(shè)置。輔助焊接加熱系統(tǒng)(34)進(jìn)一步包括感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器(38)，其被配置以產(chǎn)生交流電；和降壓變壓器(42)，其聯(lián)接到所述感應(yīng)動(dòng)力供應(yīng)器(38)。感應(yīng)加熱線圈(36)聯(lián)接到所述降壓變壓器(42)，并被配置以接收所述交流電和在焊接工件(32)中感應(yīng)生成渦流，從而將在行進(jìn)焊弧或等離子切刀之前的所述焊接工件(32)加熱到至少約0.5的同系溫度，同系溫度是材料實(shí)際溫度與材料熔化溫度之比，實(shí)際溫度和熔化溫度均以絕對(duì)溫度形式表示。
文檔編號(hào)B23K9/10GK103038016SQ201180025068
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者托德·厄爾·霍爾沃森, 杰拉爾德·愛德華·瓊斯, 瓦列里·麗莎·羅茲, 斯蒂芬·金·馬登 申請(qǐng)人:伊利諾斯工具制品有限公司